模塊化沼氣池無線監測系統的研究

劉馨月+黃非凡+隋夢桐+霍帥+李柏丞

摘 要：文章研究了沼氣池的動態監測與報警問題，提出了一種可以遠程監測、集中管理的沼氣池監測方案。由STC89C52單片機和溫度及多種氣體傳感器采集沼氣池內環境數據，設計了一種模塊化的沼氣池無線多點動態監測系統。實現對沼氣池的溫度，氣體濃度進行監測及越限報警。同時，通過nRF24L01無線模塊連接發送模塊與接收模塊，再由MAX232口與PC機進行通信，使管理人員隨時能方便地監測各沼氣池節點的狀態。與傳統工作人員實地檢測方式相比，該監測系統提高了監測效率，節省了人力物力，為沼氣管理部門的決策提供了科學依據。

關鍵詞：單片機；nRF24L01無線模塊；動態監測

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0030-02

引言

近年來，農村沼氣建設收到了黨中央、國務院和各級地方黨委、政府的高度重視。沼氣的利用，有效的促進了農村科技進步，引導農民改變傳統的生活和生產方式，提高農民生活質量。沼氣技術是農村廢棄資源化利用，發展生態農業和農村環境治理的紐帶。通過農業廢棄物和生活垃圾為原料，可產出沼氣來提供生活和生產用能，沼渣和沼液可用于農業生產，實現種植、養殖和加工的良性循環，減少環境污染。沼氣是一種以甲烷和二氧化碳為主要成分的可燃性混合氣體，若管理不善，容易造成氣體蓄積，當達到一定濃度后，若泄漏會造成人員中毒，遇明火則極易產生爆炸，造成傷亡事故，對人民群眾的人身和財產安全造成危害。目前，我國的沼氣池工程正朝著設備標準化、模塊化、自動化的方向發展。沼氣成分的測定是維持沼氣工程正常運行、確保沼氣正常使用的重要環節。因此，建立一種高效的、網絡化的農村沼氣工程監測預警平臺，對安全利用沼氣能源，提高沼氣利用監管效率和服務質量，具有非常重要的現實意義。

1 工作原理

本系統通過各種傳感器采集沼氣池的環境信息，數據在STC/STM單片機處理之后以數碼管或LCD屏顯示出來。系統將同時允許授權的用戶，通過多種移動終端（如手機、PC等）掌握實時數據，實現遠程監控。單片機通過實時比對數據與設定的閾值，來決定是否采取預警措施，保障沼氣池的安全和正常工作。

2 系統硬件設計

系統采用模塊化設計，由單片機，傳感器，數據顯示模塊，無線模塊，報警電路，電平轉換模塊等組成的智能監測與報警系統。系統總方案圖如圖1所示。

系統通過各種傳感器采集沼氣池的環境信息，并通過數碼管或LCD顯示出來，可以在非規定工作時間內對沼氣池安全進行監控，而后通過無線通信網絡技術分析現場數據，對沼氣池內各項指標進行綜合評價，以便允許授權的用戶通過多種移動終端（如手機、PC等）掌握實時數據，實現遠程監控，通過分析數據與設定的數值，當測定數據超標時，通過預警系統通知客戶或管理人員，保障沼氣池的安全和正常工作。

2.1 系統總體結構

該模塊化沼氣池監測系統以單片機為控制中心，采用溫度傳感器、CO2傳感器、甲烷濃度傳感器等對沼氣池進行在線實時監測，并通過顯示模塊顯示出來，對各沼氣池情況進行監測，通過無線通信可實現遠程監測，進一步地通過串行通信可以在終端設備中進行集中管理。傳感節點發送模塊包括STC單片機或STM單片機、nRF24L01無線模塊、LCD1602數據顯示模塊、DS18B20溫度傳感器、CO2傳感器、沼氣甲烷濃度傳感器等檢測模塊、聲光報警裝置、鍵盤模塊以及電源模塊。監控接收模塊包括單片機、nRF24L01無線模塊、LCD1602數據顯示模塊、MAX232電平轉換模塊、PC機、鍵盤模塊以及電源模塊。主要器件有：單片機STC89C52、甲烷濃度傳感器MQ-2、CO2傳感器TGS4160、溫度傳感器DS18B20、無線模塊nRF24L01、數字顯示模塊LCD1602、電平轉換模塊MAX232等。

2.2 模塊設計

2.2.1 甲烷濃度檢測模塊

甲烷濃度傳感器MQ-2是基于氣體的吸收光譜隨物質的不同而存在差異的原理制成的，將探測到甲烷氣體的濃度并轉換成電信號，經過單片機系統處理后輸出，再送入顯示電路，以實現對甲烷氣體濃度的檢測。

2.2.2 溫度檢測模塊

溫度傳感器采用DS18B20 單線數字溫度傳感器，其具有獨特的優點。檢測模塊主要包括DS18B20數字溫度傳感器以及上拉電阻構成，并且連接到MCU相應接口。

2.2.3 nRF24L01無線模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件， 功耗低，在數據傳輸方面實現相對WiFi距離更遠，具有自動應答和自動再發射功能； 輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI 接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。在傳感節點接受模塊與監測接收模塊中連接單片機進行數據的快速傳輸到數據顯示模塊以及終端設備實現沼氣池內溫度，甲烷及CO2濃度的遠程監測。

2.2.4 CO2濃度檢測模塊

TGS4160是一種固態電化學型CO2傳感器，該器件除具有體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性外，同時還具有耐高濕和耐低溫等特點。因而可廣泛用于自動通風換氣系統或CO2氣體的長期監測等應用場合。利用傳感器通過高輸入阻抗、低偏置電流的運放進行放大，再做一些簡單的運算處理，就可以在CO2濃度為300～5000ppm的范圍內測得信號，該信號為0～幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度A/D采樣使用。適合用于沼氣池的環境下進行CO2濃度的檢測。

2.2.5 電平轉換模塊

MAX232是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。具有功耗低，集成度高的特點。當用單片機和PC機通過串口進行通信，盡管單片機有串行通信的功能，但單片機提供的信號電平和RS232的標準不一樣，因此要通過max232這種類似的芯片進行電平轉換。使得單片機與PC機進行通信，實現數據傳輸，管理員可通過PC機監測沼氣池內的環境。endprint

2.2.6 液晶顯示模塊

LCD1602數據顯示器它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的特點。通過連接單片機的串口顯示沼氣池內監測到的數據信息。

2.2.7 報警電路

報警電路根據設置的CO2濃度，甲烷濃度，溫度的閾值，在出現沼氣池相關數據超標時，二極管和蜂鳴器導通，自動控制聲光報警裝置發出報警信息發出警報。

3 軟件設計

在系統實現開機操作之后，系統將調用模塊實時監測沼氣環境中各項指標的情況，如甲烷含量、CO2含量、PH值、溫度等。各項數據將在STC/STM單片機的處理下，通過LCD1602數據顯示模塊實時滾動顯示，達到時刻監控的效果。同時，數據還將經過無線模塊傳輸至監控中心，系統將時刻將數據與設定的閾值進行比較。系統軟件設計流程圖如圖2所示。

出于安全考慮，當工作人員遠離監控崗位時，系統將會調用聲光警報模塊，一旦環境中的各項指標超過了設定的閾值，監控系統將通過遠程終端（PC端或APP）提醒工作人員，以便及時采取措施。通過這樣的設計，能夠實現池內問題早發現、早預警、早處理。

4 結果分析

本系統以物聯網技術為支撐，實時獲取沼氣池在發酵過程中池內甲烷含量、CO2含量、PH值、溫度等指標，并通過顯示模塊實時顯示，能夠使監控中心的工作人員實時獲取數據，保證沼氣池發酵安全。

同時，系統的監測預警模塊也會實時分析數據，在指標臨近閾值時發出提醒，達到閾值時發出警報，及時告知工作人員。這樣保證了即使遠離工作崗位，也能及時采取措施。

5 結束語

文章所設計的沼氣池環境監測系統，是為了適應現代農業發展而提出的方案。該系統可實現實時顯示、實時預警的功能，具有安全、穩定、實用性強、可預警、可遠程交互等優點，對于當代新型農業發展以及清潔能源建設有所幫助，在監測的同時也保障了安全。

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